Wasserstoff

Grosser Hoffnungsträger mit Hürden bei Herstellung und Lagerung

Wasserstoff könnte als alternative Energiequelle eine entscheidende Rolle in der Energiewende spielen. Wasserstoffverbindungen zählen zu den stabilsten chemischen Verbindungen, die in der Natur vorkommen, und die Freisetzung einer enormen Menge Energie bei ihrer Aufspaltung macht sie besonders wertvoll. 

Ein signifikanter Vorteil besteht darin, dass Wasserstoff bei der Verbrennung ausschliesslich Wasser als Nebenprodukt freisetzt, was ihn zu einer ausgesprochen sauberen Energiequelle macht. Im Gegensatz zu elektrischem Strom kann Wasserstoff Energie in Form von Gas oder Flüssigkeit speichern und transportieren. 

Diese Eigenschaft ermöglicht es ihm, eine stabilisierende Funktion für das Stromnetz zu übernehmen, indem er die Schwankungen ausgleicht, die insbesondere bei erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarenergie auftreten.

Das grösste Potenzial von Wasserstoff liegt im Bereich des Schwertransports sowie in der Schiffs- und Luftfahrt. Eine weitere vielversprechende Anwendungsmöglichkeit bieten Wasserstoffkraftwerke, die den Vorteil haben, relativ einfach und schnell hoch- oder heruntergefahren werden zu können, was sie für die Anpassung an wechselnde Energiebedarfe ideal macht.

Herstellung

Die Gewinnung von Wasserstoff kann durch mehrere Verfahren erfolgen, die je nach Energiequelle und technologischem Prozess variieren. Es sind dies Elektrolyse, Dampfreformierung, biologische Verfahren und Thermolyse. 

Elektrolyse: Diese Methode nutzt elektrischen Strom, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Wenn der verwendete Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Sonne oder Wasserkraft gewonnen wird, wird der resultierende Wasserstoff als „grüner Wasserstoff“ bezeichnet. 

Dampfreformierung: Dies ist derzeit die gängigste Methode zur Herstellung von Wasserstoff. Hierbei reagiert Erdgas mit Wasserdampf unter hohem Druck und hoher Temperatur, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. Trotz der hohen Effizienz dieses Prozesses ist CO2-Emission ein problematisches Nebenprodukt, die dem Ziel der Reduzierung von Treibhausgasen entgegensteht.

Biologische Verfahren: Es gibt auch Forschungen zu biologischen Prozessen zur Wasserstoffproduktion, bei denen bestimmte Mikroorganismen durch biologische Reaktionen Wasserstoff erzeugen. Diese Verfahren sind noch in der Entwicklungsphase, könnten aber eine umweltfreundliche Alternative zu traditionellen Methoden bieten.

Thermolyse: Die Spaltung von Wasser durch Hitze ist eine weitere, wenn auch weniger verbreitete Methode. Bei sehr hohen Temperaturen kann Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Diese Methode erfordert jedoch extrem hohe Energiemengen und ist daher momentan weniger wirtschaftlich.

Diese Herstellungsformen sind nicht gleichwertig, weil sie eine sehr unterschiedliche C02-Bilanz aufweisen. Wenn die bei der Elektrolyse verwendete Elektrizität aus erneuerbaren Quellen stammt, spricht man von «grünem» Wasserstoff, weil er besonders nachhaltig ist. Wenn wie bei der Dampfreformierung oder auch bei der Elektrolyse fossile Energien zum Einsatz kommen, ist das Resultat «grauer» Wasserstoff.

Lagerung und Transport

Die Speicherung von Wasserstoff ist aufgrund seiner hohen Reaktivität technisch anspruchsvoll. Verschiedene Methoden kommen dabei zur Anwendung.

Druckspeicherung: Wasserstoff wird oft in Gasflaschen oder Tanks unter hohem Druck gelagert. Diese Methode ist weit verbreitet und einfach, setzt jedoch stabile und sichere Behälter voraus, die dem Druck standhalten.

Flüssigspeicherung: Bei extrem niedrigen Temperaturen (-253°C) lässt sich Wasserstoff verflüssigen und dadurch dichter speichern. Allerdings sind hierfür komplexe und energieaufwendige Kühlmechanismen notwendig.

Chemische Speicherung: Hierbei wird Wasserstoff durch chemische Reaktionen in andere Verbindungen umgewandelt. Beispiele sind Metallhydride oder flüssige organische Wasserstoffträger (LOHCs), die nicht nur die Dichte erhöhen, sondern auch den Transport vereinfachen.

Unterirdische Speicherung: Diese Technik nutzt geologische Formationen wie Salzkavernen zur Lagerung großer Wasserstoffmengen, ähnlich der Speicherung von Erdgas, und ermöglicht die Aufbewahrung über lange Zeiträume.
Die Entwicklung effizienter und kostengünstiger Technologien für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff wird entscheidend sein für seine Rolle als Energieträger der Zukunft.

Vor- und Nachteile von Wasserstoff (H2)

Vorteile:
  • Umweltfreundlichkeit: Wasserstoff verbrennt emissionsfrei.
  • Vielseitigkeit: Wasserstoff kann in verschiedenen Anwendungen wie Brennstoffzellen, Verbrennungsmotoren und zur Speicherung erneuerbarer Energie verwendet werden.
  • Hohe Energiedichte: Wasserstoff hat das höchste Energieverhältnis pro Masse aller Brennstoffe.

Nachteile:
  • Kosten: Die Herstellung von Wasserstoff ist energieintensiv und teuer.
    Infrastruktur: Sein Transport und die Speicherung sind kostspielig und technisch herausfordernd.
    Sicherheit: Wasserstoff ist hochentzündlich und erfordert spezielle Sicherheitsmassnahmen bei Herstellung, Lagerung, Transport.

Ausblick

Wasserstoff bietet eine vielversprechende Zukunft als Energieträger, insbesondere durch den Beitrag von grünem Wasserstoff zur Verbesserung der Energiebilanz. Die Weiterentwicklung der Technologien und der Ausbau der Infrastruktur sind jedoch entscheidend, um das volle Potenzial von Wasserstoff ausschöpfen zu können.